流？I/O操作？阻塞？epoll?

流？I/O操作？阻塞？epoll?

一、流？I/O操作? 阻塞？

(1) 流

  • 可以进行I/O操作的内核对象
  • 文件、管道、套接字……
  • 流的入口：文件描述符(fd)

(2) I/O操作

所有对流的读写操作，我们都可以称之为IO操作。

当一个流中， 在没有数据read的时候，或者说在流中已经写满了数据，再write，我们的IO操作就会出现一种现象，就是阻塞现象，如下图。

(3) 阻塞

阻塞场景: 你有一份快递，家里有个座机，快递到了主动给你打电话，期间你可以休息。
非阻塞，忙轮询场景: 你性子比较急躁， 每分钟就要打电话询问快递小哥一次， 到底有没有到，快递员接你电话要停止运输，这样很耽误快递小哥的运输速度。

  • 阻塞等待

空出大脑可以安心睡觉, 不影响快递员工作（不占用CPU宝贵的时间片）。

  • 非阻塞，忙轮询

浪费时间，浪费电话费，占用快递员时间（占用CPU，系统资源）。

很明显，阻塞等待这种方式，对于通信上是有明显优势的， 那么它有哪些弊端呢？

二、解决阻塞死等待的办法

阻塞死等待的缺点

​ 也就是同一时刻，你只能被动的处理一个快递员的签收业务，其他快递员打电话打不进来，只能干瞪眼等待。那么解决这个问题，家里多买N个座机， 但是依然是你一个人接，也处理不过来，需要用影分身术创建都个自己来接电话(采用多线程或者多进程）来处理。

​ 这种方式就是没有多路IO复用的情况的解决方案， 但是在单线程计算机时代(无法影分身)，这简直是灾难。

那么如果我们不借助影分身的方式(多线程/多进程)，该如何解决阻塞死等待的方法呢？

办法一：非阻塞、忙轮询

while true {for i in 流[] {if i has 数据 {读 或者 其他处理}}
}

非阻塞忙轮询的方式，可以让用户分别与每个快递员取得联系，宏观上来看，是同时可以与多个快递员沟通(并发效果)、 但是快递员在于用户沟通时耽误前进的速度(浪费CPU)。

办法二：select

我们可以开设一个代收网点，让快递员全部送到代收点。这个网店管理员叫select。这样我们就可以在家休息了，麻烦的事交给select就好了。当有快递的时候，select负责给我们打电话，期间在家休息睡觉就好了。

但select 代收员比较懒，她记不住快递员的单号，还有快递货物的数量。她只会告诉你快递到了，但是是谁到的，你需要挨个快递员问一遍。

while true {select(流[]); //阻塞//有消息抵达for i in 流[] {if i has 数据 {读 或者 其他处理}}
}

办法三：epoll

epoll的服务态度要比select好很多，在通知我们的时候，不仅告诉我们有几个快递到了，还分别告诉我们是谁谁谁。我们只需要按照epoll给的答复，来询问快递员取快递即可。

while true {可处理的流[] = epoll_wait(epoll_fd); //阻塞//有消息抵达，全部放在 “可处理的流[]”中for i in 可处理的流[] {读 或者 其他处理}
}

三、epoll？

  • 与select，poll一样，对I/O多路复用的技术
  • 只关心“活跃”的链接，无需遍历全部描述符集合
  • 能够处理大量的链接请求(系统可以打开的文件数目)

四、epoll的API

(1) 创建EPOLL

/** * @param size 告诉内核监听的数目 * * @returns 返回一个epoll句柄（即一个文件描述符） */
int epoll_create(int size);

使用

int epfd = epoll_create(1000);

创建一个epoll句柄，实际上是在内核空间，建立一个root根节点，这个根节点的关系与epfd相对应。

(2) 控制EPOLL

/**
* @param epfd 用epoll_create所创建的epoll句柄
* @param op 表示对epoll监控描述符控制的动作
*
* EPOLL_CTL_ADD(注册新的fd到epfd)
* EPOLL_CTL_MOD(修改已经注册的fd的监听事件)
* EPOLL_CTL_DEL(epfd删除一个fd)
*
* @param fd 需要监听的文件描述符
* @param event 告诉内核需要监听的事件
*
* @returns 成功返回0，失败返回-1, errno查看错误信息
*/
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd,
struct epoll_event *event);struct epoll_event {__uint32_t events; /* epoll 事件 */epoll_data_t data; /* 用户传递的数据 */
}/** events : {EPOLLIN, EPOLLOUT, EPOLLPRI,EPOLLHUP, EPOLLET, EPOLLONESHOT}*/
typedef union epoll_data {void *ptr;int fd;uint32_t u32;uint64_t u64;
} epoll_data_t;

使用

struct epoll_event new_event;new_event.events = EPOLLIN | EPOLLOUT;
new_event.data.fd = 5;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, 5, &new_event);

​ 创建一个用户态的事件，绑定到某个fd上，然后添加到内核中的epoll红黑树中。

(3) 等待EPOLL

/**
*
* @param epfd 用epoll_create所创建的epoll句柄
* @param event 从内核得到的事件集合
* @param maxevents 告知内核这个events有多大,
* 注意: 值 不能大于创建epoll_create()时的size.
* @param timeout 超时时间
* -1: 永久阻塞
* 0: 立即返回，非阻塞
* >0: 指定微秒
*
* @returns 成功: 有多少文件描述符就绪,时间到时返回0
* 失败: -1, errno 查看错误
*/
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *event,int maxevents, int timeout);

使用

struct epoll_event my_event[1000];int event_cnt = epoll_wait(epfd, my_event, 1000, -1);

​ epoll_wait是一个阻塞的状态，如果内核检测到IO的读写响应，会抛给上层的epoll_wait, 返回给用户态一个已经触发的事件队列，同时阻塞返回。开发者可以从队列中取出事件来处理，其中事件里就有绑定的对应fd是哪个(之前添加epoll事件的时候已经绑定)。

(4) 使用epoll编程主流程骨架

int epfd = epoll_crete(1000);//将 listen_fd 添加进 epoll 中
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd,&listen_event);while (1) {//阻塞等待 epoll 中 的fd 触发int active_cnt = epoll_wait(epfd, events, 1000, -1);for (i = 0 ; i < active_cnt; i++) {if (evnets[i].data.fd == listen_fd) {//accept. 并且将新accept 的fd 加进epoll中.}else if (events[i].events & EPOLLIN) {//对此fd 进行读操作}else if (events[i].events & EPOLLOUT) {//对此fd 进行写操作}}
}

五、epoll的触发模式

(1) 水平触发

水平触发的主要特点是，如果用户在监听epoll事件，当内核有事件的时候，会拷贝给用户态事件，但是如果用户只处理了一次，那么剩下没有处理的会在下一次epoll_wait再次返回该事件。

这样如果用户永远不处理这个事件，就导致每次都会有该事件从内核到用户的拷贝，耗费性能，但是水平触发相对安全，最起码事件不会丢掉，除非用户处理完毕。

(2) 边缘触发

边缘触发，相对跟水平触发相反，当内核有事件到达， 只会通知用户一次，至于用户处理还是不处理，以后将不会再通知。这样减少了拷贝过程，增加了性能，但是相对来说，如果用户马虎忘记处理，将会产生事件丢的情况。

六、简单的epoll服务器(C语言)

(1) 服务端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <ctype.h>
#include <string.h>#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>#include <sys/epoll.h>#define SERVER_PORT (7778)
#define EPOLL_MAX_NUM (2048)
#define BUFFER_MAX_LEN (4096)char buffer[BUFFER_MAX_LEN];void str_toupper(char *str)
{int i;for (i = 0; i < strlen(str); i ++) {str[i] = toupper(str[i]);}
}int main(int argc, char **argv)
{int listen_fd = 0;int client_fd = 0;struct sockaddr_in server_addr;struct sockaddr_in client_addr;socklen_t client_len;int epfd = 0;struct epoll_event event, *my_events;/ socketlisten_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// bindserver_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));// listenlisten(listen_fd, 10);// epoll createepfd = epoll_create(EPOLL_MAX_NUM);if (epfd < 0) {perror("epoll create");goto END;}// listen_fd -> epollevent.events = EPOLLIN;event.data.fd = listen_fd;if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &event) < 0) {perror("epoll ctl add listen_fd ");goto END;}my_events = malloc(sizeof(struct epoll_event) * EPOLL_MAX_NUM);while (1) {// epoll waitint active_fds_cnt = epoll_wait(epfd, my_events, EPOLL_MAX_NUM, -1);int i = 0;for (i = 0; i < active_fds_cnt; i++) {// if fd == listen_fdif (my_events[i].data.fd == listen_fd) {//acceptclient_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);if (client_fd < 0) {perror("accept");continue;}char ip[20];printf("new connection[%s:%d]\n", inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, ip, sizeof(ip)), ntohs(client_addr.sin_port));event.events = EPOLLIN | EPOLLET;event.data.fd = client_fd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, client_fd, &event);}else if (my_events[i].events & EPOLLIN) {printf("EPOLLIN\n");client_fd = my_events[i].data.fd;// do readbuffer[0] = '\0';int n = read(client_fd, buffer, 5);if (n < 0) {perror("read");continue;}else if (n == 0) {epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, client_fd, &event);close(client_fd);}else {printf("[read]: %s\n", buffer);buffer[n] = '\0';
#if 1str_toupper(buffer);write(client_fd, buffer, strlen(buffer));printf("[write]: %s\n", buffer);memset(buffer, 0, BUFFER_MAX_LEN);
#endif/*event.events = EPOLLOUT;event.data.fd = client_fd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, client_fd, &event);*/}}else if (my_events[i].events & EPOLLOUT) {printf("EPOLLOUT\n");/*client_fd = my_events[i].data.fd;str_toupper(buffer);write(client_fd, buffer, strlen(buffer));printf("[write]: %s\n", buffer);memset(buffer, 0, BUFFER_MAX_LEN);event.events = EPOLLIN;event.data.fd = client_fd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, client_fd, &event);*/}}}END:close(epfd);close(listen_fd);return 0;
}

(2) 客户端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>#define MAX_LINE (1024)
#define SERVER_PORT (7778)void setnoblocking(int fd)
{int opts = 0;opts = fcntl(fd, F_GETFL);opts = opts | O_NONBLOCK;fcntl(fd, F_SETFL);
}int main(int argc, char **argv)
{int sockfd;char recvline[MAX_LINE + 1] = {0};struct sockaddr_in server_addr;if (argc != 2) {fprintf(stderr, "usage ./client <SERVER_IP>\n");exit(0);}// 创建socketif ( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {fprintf(stderr, "socket error");exit(0);}// server addr 赋值bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);if (inet_pton(AF_INET, argv[1], &server_addr.sin_addr) <= 0) {fprintf(stderr, "inet_pton error for %s", argv[1]);exit(0);}// 链接服务端if (connect(sockfd, (struct sockaddr*) &server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {perror("connect");fprintf(stderr, "connect error\n");exit(0);}setnoblocking(sockfd);char input[100];int n = 0;int count = 0;// 不断的从标准输入字符串while (fgets(input, 100, stdin) != NULL){printf("[send] %s\n", input);n = 0;// 把输入的字符串发送 到 服务器中去n = send(sockfd, input, strlen(input), 0);if (n < 0) {perror("send");}n = 0;count = 0;// 读取 服务器返回的数据while (1){n = read(sockfd, recvline + count, MAX_LINE);if (n == MAX_LINE){count += n;continue;}else if (n < 0){perror("recv");break;}else {count += n;recvline[count] = '\0';printf("[recv] %s\n", recvline);break;}}}return 0;
}

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